1 引 言
光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、热管理方便、结构紧凑、稳定性好等特点，因而在光纤通信、光纤传感、工业加工、生物医学和国防等领域有着广泛的应用。双包层光纤(DCF)和包层抽运技术的出现使得光纤激光器的功率水平产生巨大的飞跃，从而进一步提高了光纤激光器的应用价值[1-4]。
随着光纤激光器朝着商业化应用发展，人们在追求高功率的同时，也越来越关注系统的输出光束质量和可靠性。然而，在实际的光纤激光器系统中会有多种原因导致包层光的产生，这不仅会影响到激光器输出的光束质量和单色性，还有可能损坏光学器件和输出设备。因此，研究如何抑制包层光的产生以及采取一定的措施来滤除包层光是十分必要的。对于全光纤结构的双包层光纤激光器，通常采用在光纤的内包层外涂上高折射率匹配胶的方法来滤除包层光[5]，但此方法使包层光在较短的作用长度内被大量滤除并转化为热，容易造成局部温度过高。文献[6]在此方法的基础之上，使用3种不同折射率的匹配胶分步滤除包层光，增大了作用长度，在获得良好滤除效果的同时，使热量分布均匀，从而减小了局部温度过高。文献[7]提出一种新颖的包层光滤除方法，先依次使用氢氟酸和HF气体细化光纤内包层并使其表面产生细微小孔，再用低折射率紫外胶涂覆，通过破坏全反射条件来增大内包层的损耗，能够在较长的作用长度内均匀地滤除包层光。但是，这些研究工作主要集中在光纤激光器当中包层光的滤除方法上，且滤除对象主要为残余的抽运光。而实际上，光纤激光在被动双包层光纤中传输的过程中，由于各种原因，也会导致纤芯中的一部分信号光泄漏到内包层中去形成包层光，使输出激光的光束质量发生退化，甚至造成一些器件的损坏。
本文主要关注被动双包层光纤中包层光产生的来源，通过功率和光场分布检测等手段，实验研究了被动双包层光纤之间的熔接质量和模场失配以及光纤合束器和光纤隔离器的插入等因素对于包层光产生的影响。根据实验结果，指出了为抑制包层光的产生和减小包层光的影响应注意的事项和采取的措施，为搭建高光束质量、高稳定性的光纤激光器系统提供借鉴。
2 实验装置
激光在被动双包层光纤中传输的过程中，由于系统中各种元器件的存在以及光纤之间的熔接点和模场失配等原因，会使部分信号光泄漏到被动双包层光纤的内包层中形成包层光。我们搭建了一个10 W量级、经过包层光滤除处理的中心波长为1064 nm的掺镱光纤激光器作为标准光源，输出尾纤采用Nufern公司拉制的 10/125双包层光纤（内包层直径 125 μm ，纤芯直径 10 μm ，数值孔径 NA为 0.06，在 1064 nm 处为单模），测得标准光源最大输出功率约为8.5 W，输出光斑如图1所示，为高斯光斑。在标准光源的输出端分别引入光纤熔接点、模场失配、光纤隔离器和光纤合束器等导致包层光产生的要素，通过分析前后输出功率和光场分布的变化来研究它们对于包层光产生的影响，实验装置如图2所示。实验中所用到的被动双包层光纤以及各种光学器件的尾纤均为10/125双包层光纤，从而避免了高阶模式对实验结果的影响。
3 实验结果与分析
3.1 熔接质量对被动双包层光纤中包层光的影响
光纤熔接过程中产生的大量的热会改变纤芯掺杂元素的轴向分布，使接点处的纤芯折射率发生改变，从而导致纤芯基模与包层模式发生耦合，产生包层光[8]。以不同的熔接质量在标准光源的输出端熔接一段与标准光纤输出尾纤相同的被动双包层光纤[图2（a）]，分别在未做包层光滤除处理时和依次在熔接点处（位置1）、输出端之前（位置2）做包层光滤除处理时，测量输出功率和光斑，并与标准光源进行比较。
当熔接质量较差时[熔接前使光纤端面切割角度较大且不平整，图3（a）]，测得未做包层光处理时的最大输出功率为8.39 W，光斑如图4（a）所示。与图1相比较，光场分布相对于标准光源变得不规整，光束质量有所下降。在位置1处做包层光滤除处理，输出功率降为8.36 W，光斑如4（b）所示，即有0.03 W的包层光被滤除，而光场分布有了较为明显的改善。再在位置2处做包层光滤除处理，输出功率降为8.34 W，光场分布进一步得到改善，基本恢复至标准光源水平，如图4（c）所示，呈高斯光斑。实验中，8.39 W的输出光中约含有0.05 W的包层光，约占0.6%。这说明少量的包层光就会对输出的光场分布造成较大的影响。而当被动双包层光纤在大功率下工作时，假设传输功率为2000 W，将会产生12 W的包层光，这将对系统的光束质量和稳定性造成极大的影响。
当熔接质量较好时[熔接前使端面切割平整且角度很小，图3（b）]，在未做包层光滤除时测得最大输出功率为8.47 W，光斑如图5所示。光场分布基本没有受到影响,仍为高斯光斑。依次在位置1和2处做包层光滤除处理，输出功率和光斑几乎不变。说明当熔接质量较好时，基本不会导致纤芯光泄漏到包层中去。
3.2 模场失配对被动双包层光纤中包层光的影响
在标准光源的输出端熔接一段HI1060单模光纤（纤芯直径6 μm），测得此时最大输出功率为6.01 W，光斑如图6所示，仍为高斯光斑。通过在单模光纤之后熔接一段10/125双包层光纤[图2（b）]来研究模场失配对被动双包层光纤中包层光产生的影响。
在未做包层光滤除处理时和依次在位置 1、2处做包层光滤除处理时，测得最大输出功率分别为 4.96，4.39和4.35 W，光斑如图 7 所示。可知模场失配造成了较大的熔接损耗，同时产生了大量的包层光，约0.61 W，为输出功率的12.3%，对光场分布造成了极大的影响，使光束质量严重下降。当依次在位置1、2处做包层光滤除处理时，输出光场分布得到明显改善。
3.3 光纤隔离器对被动双包层光纤中包层光的影响
光纤隔离器是光纤激光器和光纤通信系统中常用的无源光学器件，它的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响。
将国产某型号的光纤隔离器接在标准光源的输出端，如图2（c）所示。由于其输入臂光纤与标准光源输出尾纤相同，因此在保证良好熔接且在位置1处做包层光滤除的情况下，可以认为进入到光纤隔离器的光场不含包层光。在位置2处做包层光滤除前后，测得输出最大功率分别为7.70 W和7.12 W，光斑如图8所示。
可以看出，纤芯光在经过光纤隔离器后，产生了约0.6 W的包层光，使光场分布发生了剧烈的变化。这是由于光纤隔离器内部为空间结构，信号光通过其内部的法拉第旋转器和双折射晶体后耦合进输出尾纤时，可能会造成一部分能量耦合到包层中，形成包层光，从而对输出的光场分布产生影响，使光束质量严重退化。在位置2处做包层光滤除后，输出光斑又恢复成高斯光斑。
3.4 光纤合束器对被动双包层光纤中包层光的影响
光纤合束器是在熔融拉锥光纤束（TFB）的基础上制作的光纤器件，如图9所示。在拉锥过程中，光纤的纤芯和包层等比例缩小，这会引起内部光场分布的变化。当信号光从熔融拉锥光纤束端面入射后，随着光纤直径减小到一定程度，纤芯对信号光的约束能力减弱，从而激发高阶的泄漏模式，导致一部分信号光从纤芯泄漏，形成包层光。
将某国产型号的光纤合束器的信号输入臂（光纤为 10/125双包层光纤）接在标准光源的输出端，如图 2（d）所示，保证良好熔接且在位置1处做包层光滤除处理。在位置2处做包层光滤除处理前后，测量得光纤合束器的最大输出功率分别为8.08 W和7.10 W，光斑如图10所示。可以看出，纤芯光在经过光纤合束器之后，产生了约1 W的包层光，约占输出光的12%，对光场分布产生了极大的影响。在位置2处做包层光滤除处理后，光场分布得到明显改善，但仍未达到标准光源水平，这可能是由于包层光未彻底滤除造成的。
综合上述实验结果，可以看出激光在被动双包层光纤中传输时，由于光纤之间的低质量熔接和模场失配，以及插入了光纤隔离器和光纤合束器等原因，会导致包层光的产生，从而改变输出光场分布，导致光束质量退化。为了避免和减少包层光的影响，一方面要采取合适的方法有效地滤除包层光；另一方面要从根源下手，通过合理的设计和精心的处理来减少包层光的产生。例如，在搭建光纤激光器系统时，应通过合理的设计，减少不必要的熔接点。在进行必要的熔接时，应保证光纤端面的平整，以提高熔接质量，减少包层光的产生。同时应尽量选用模场匹配的光纤，或在熔接前对模场失配的光纤进行模场适配处理。目前报道的高功率光纤激光器多采用主振荡功率放大（MOPA）结构，人们通常只是在每一个放大级的末端做一次包层光滤除处理。然而，由于每一级放大器都包含有多个光纤熔接点以及光纤合束器、光纤隔离器等可能产生包层光的来源，这些包层光的存在会影响到该放大级的效率、光束质量甚至可靠性。因此有必要在每一个可能导致包层光产生的来源处做包层光滤除。对于光纤隔离器，可以通过在其输出端做包层光滤除来减小包层光的影响，而光纤合束器输出尾纤的内包层要传输抽运光，不能做包层光滤除处理。这就要求我们通过使用数值模拟等手段，优化系统结构参数，提高转化效率，从而减少系统中放大级的个数，即减少使用光纤合束器和光纤隔离器等器件。
4 结 论
分析了光纤激光在被动双包层光纤传输过程中产生包层光的来源，实验研究了被动双包层光纤之间的熔接质量和模场失配以及光纤合束器和光纤隔离器等器件的插入对于包层光产生的影响。实验结果表明，被动双包层光纤之间的低质量熔接和模场失配都会导致纤芯基模与包层模式发生耦合，光纤合束器会激发高阶的泄漏模式使部分信号光泄漏到包层中去，光纤隔离器内部的空间结构会导致部分纤芯信号光耦合到输出尾纤的包层中，从而导致包层光的产生。还讨论了为抑制包层光的产生和减少包层光的影响应注意的事项和采取的措施，对设计和搭建高光束质量、稳定可靠的光纤激光器系统具有一定的指导意义。
参 考 文 献
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